Flexoelectricity in Two-Dimensional Materials from Density Functional Perturbation Theory
En aquesta tesi desenvolupem un mètode general per calcular la resposta flexoelèctrica d'un material bidimensional (2D) en resposta a una deformació flexural. Tal resposta ha estat generalment definida i calculada com el moment dipolar induït al llarg de la direcció fora del pla. Tanmateix, el...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2024 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:296783 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/296783 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Flexoelectricitat Flexoelectricity Flexoelectricidad Tecnologies 538.9 |
| Sumario: | En aquesta tesi desenvolupem un mètode general per calcular la resposta flexoelèctrica d'un material bidimensional (2D) en resposta a una deformació flexural. Tal resposta ha estat generalment definida i calculada com el moment dipolar induït al llarg de la direcció fora del pla. Tanmateix, el càlcul del moment dipolar d'un cristall 2D doblegat sofreix diverses ambigüitats que han comportat un alt grau de desacord entre els resultats prèviament publicats. D'altra banda, aquesta definició com a dipol te un significat pràctic limitat, ja que és difícil establir la seva relació amb els paràmetres mesurats experimentals, a saber, camps i potencials elèctrics. Ací resolem aquests problemes definint i calculant la resposta, al llarg de la direcció fora del pla, d'un material 2D com el voltatge de circuit obert (flexovoltatge) en resposta a una curvatura. Fent us d'implementacions de flexoelectricitat 3D desenvolupades recent al nostre grup, demostrem que el flexovoltatage d'una capa de material 2D és una propietat de resposta lineal intrínseca del cristall, y que pot ser calculada en el context de la Teoria del Funcional de Densitat partint de la cel·la primitiva sense deformar. D'aquesta manera, el nostre formalisme elimina la necessitat de fer servir estructures doblegades de gran mida (com nanotubs), els quals requereixen una alta càrrega computacional. Mitjançant l'aplicació del nostre mètode a una sèrie de sistemes tals com grafé, silicé, fosforé, nitrur de bor y dicalcogenurs de metalls de transició, demostrem que la resposta flexoelèctrica es compon de dues contribucions diferents: una d'origen purament electrònic i una altra deguda a la relaxació dels graus de llibertat iònics. Dins la contribució electrònica, apareix un terme mètric, corresponent al moment quadrupolar de la densitat de carrega no pertorbada, que resulta essencial per assolir una descripció física sólida. Entre les nostres simulacions numèriques, també incloem l'estudi d'un model físic intuïtiu que ens permet corroborar la validesa de la nostra definició física de flexovoltatge com a resposta elèctrica físicament consistent. A més a més, demostrem que els coeficients de flexovoltage descriuen sigui l'efecte flexoelèctric directe que l'efecte invers, i aprofitem aquesta dualitat per construir un model continu que connecta els nostres resultats numèrics amb les mesures experimentals disponibles obtingudes a través de la tècnica de microscòpia de força piezoelèctrica. Addicionalment, identifiquem les condicions de simetria sota les quals un cristall 2D desenvolupa una polarització al llarg del pla en resposta a una deformació flexural, i presentem un mètode general per calcular els coeficients que descriuen aquest efecte físic. Aplicant el nostre mètode a una sèrie de cristalls 2D amb simetria D3d, descobrim que el mòdul de la polarització en el pla és fins a un ordre de magnitud més gran que la component al llarg de la direcció fora del pla, en el mateix material. A més a més, l'amplitud de la resposta és independent de la direcció al llarg de la qual es doblega el material, mentres que la seva orientació rota de manera contínua en el pla amb una periodicitat que és compatible amb la simetria del cristall no pertorbat. Com a conseqüència d'aquesta simetria, trobem que i) els cristalls D3d presenten una textura de polarització topològica en el pla quan són deformats amb una ondulació genèrica i que ii) els nanotubs construïts doblegant aquest tipus de materials presenten una polarització espontània. |
|---|